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1、光电子学复习讲义 2014第一部分：光电物理基础1 基本概念1）本征吸收：半导体吸收一个能量大于禁带宽度 Eg的光子，电子由 价带跃迁到导带，这样的过程称为本征吸收。2）激子吸收：在半导体中受激电子与空穴构成的新系统可以看成一 种“准粒子”，并称之为激子。激子可以通过所含电子和空穴的复 合而辐射光子和声子，其中能发射光子的激子复合过程对提高发 光效率有很大的实用意义。3）杂质吸收：杂质吸收有三种情况，1:从杂质中心的基态到激发态 的激发可以引起线状吸收谱。2:电子从施主能级到导带或从价带 到受主能级的吸收跃迁。3:从价带到施主能级或从被电子占据的 受主能级到导带的吸收跃迁。4）费米能级的概念：
2、P225）热平衡状态下本征和杂质半导体的费米能级图1-14 P246) 非平衡态载流子的产生、复合图 1-157) 直接复合：自由电子直接由导带回价带与空穴复合8) 间接复合：自由电子和空穴通过晶体中的杂质、缺陷在禁带中复合9) 非本征吸收： 包括杂质吸收 自由载流子吸收激子吸收 晶格吸收10) 本征发光：导带电子和价带空穴复合所产生的发光现象11) 激子发光：激子在运动过程中，将能量从晶体的一处运输到另一处，电子空穴复合发光的过程称为激子发光。12) 杂质发光： 杂质发光有三种发光方式， 1：电子从导带到施主能级或从受主能级到价带的跃迁，主要是无辐射跃迁。 2:电子从导带到受主能级或从施主能
3、级到价带。 3：施主受主对的辐射跃迁13) 内光电效应：表现为光电导和光生伏特效应。14) 外光电效应：即光电子发射效应(金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大可以使电子从材料表面逸出的现象)15) 金属逸出功：电子从金属中逸出需要的最小能量16) 电子亲和势：导带体上的电子向真空逸出时所需要的最小能量17) 光电发射第二定律：光电发射体发射的光电子最大动能随入射光频率的增大而线性增加，与入射光强无关。18) 辐射度量 :与物理学对电磁辐射度的规定完全一致， 适用于整个电磁波段19) 光度量：以人的视觉特性为基础建立，只适用于可见光波段20) 偏振光及偏振度：振动方向与传播方向不对称性叫做偏
4、振，具有偏振性的光叫做偏振光。光束中偏振部分的光强度和整个光强度 之比值称为偏振度。【2】基本原理1）杂质吸收与本征吸收的光谱范围如何理解？答：（1）本征吸收区对应于价带电子吸收光子后跃迁至导带的强吸收 区，它处于紫外可见光与近红外区。（2）杂质吸收因固体材料及材料中杂质各类而异。假设杂质具有 浅能级（约0.01eV）,这种杂质吸收仅在较低温下（使kT杂质电离 能，k为玻尔兹曼常数，才能被观察到。2）半导体掺杂的目的？对半导体发光的限制作用？答：纯正的半导体是靠本征激发来产生载流子导电的，但是仅仅依靠本征激发产生的载流子数量很少，而且容易受到外界因素如温度等的 影响。掺入相应的三价或五价元素则
5、可以在本征激发外产生其他的载 流子，可以大幅度的改善本征半导体的导电性。（1）为了使半导体的电导率发生大的变化；因为杂质的电离能比禁 带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能 影响很大。（2）杂质能级的位置有性质不同的两类：“浅能级”和“深能级”，前 者起着“陷阱”的作用，后者通常是复合能级。发出相对效率1i（r L10抽10T7101B101 专10第杂质浓度（cm）室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度载流子的产生与杂质能级复合中心的平衡3）半导体本征发光中的直接跃迁与间接跃迁的定义与区别？代表材料分别是？答：（1）直接跃迁：仅涉及一个（或多个）光子的跃迁；间接
6、跃迁涉 及一个（或多个）光子，还包含声子的跃迁；（2）直接跃迁以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶 体为主，代表材料GaAs;间接跃迁代表材料Si基发光材料.4）自发发射、受激发射、受激吸收的关系？如何提高半导体的发光效率？3答：（1）爱因斯坦关系：4 8星史1B21cB21g2（2）吸收系数较高；直接带隙跃迁；优化杂质能级吸收与发射；根 据器件设计自发辐射与受激辐射系数的比重。5）金属、半导体光电子发射光电子发射的三个步骤？答：第一步：体内电子吸收光子能量被激发跃迁到高能级第二步：被激发的电子向表面运动，运动过程中会与其它电子或 晶格碰撞，失去部分能量。第三步：克服表面势垒的
7、束缚逸出表面。6)本征光电导产生的条件？答：(1)光子能量大于该半导体的禁带宽度；(2)电子在导带中有足够的迁移率；(3)由光的辐射产生的载流子数与材料中通常可得到的自由载流子相比，是可测量出来的。【3】基本计算1)金属、半导体光电子发射阈值的计算rt,金属金属中自由电子的能量服从费米分布，电子主要占据费米能 级以下的能量状态.金属递出功：电子从金属中选出需要的最小能量.EyE.-E*装面势空的高度Eq:真空中电子的最低能量状态.红阈场率o=;b、半导体电子亲和力：导带底上的电子向真空逸出时所需的最小能量.Ea = Eq - En半导体光电子发射的逸出功本征发射杂质发射E的11型型光电子发射的
8、能量闽值E/ Ed + EaE尸EJE厂 A Ea0- h红阈频率2)马吕斯定律对偏振度的计算例:两个偏振片叠放在一起，强度为I。的入射自然光垂直照射其上，透射光强为1。/8,求：1) .这两个偏振 片的偏振化方向的夹角？ 2) ,若在两偏振片中间再插 入另一偏振片，其偏振化方向与前后两片偏振片的偏 振化方向夹角相等，那么通过三个偏振片后的透射光 强又是多少？解:由马吊斯定律(1) 1.3 1,-l0cora=-I0, 1N(2)三个偏振片时，中间偏振片与前后两偏振片夹角均为30口L L1 、 , 1I选二(一【I cos 3(130 例：通过一理想偏振片观察部分偏振光，当偏振片从最大 光强方
9、位转过45。度时，光强变为原来的2/3,求(1)此部分偏振光中所含线偏振光与自然光强度之比；(2)入射光的偏振度；(3)旋转偏振片时最小透射光强与最大透射光强之比；解：由 二:4+小小。/ / + L cos 45J I I,可得：L=22= ?2由此解得3)单层减反膜厚的计算单层斌反膜在光的入射界而上被 层低折免 （如W凤的膜层融少反射率Unn +1J Jk 广:盛小十47 !丫工引.工.，波g膜厚）；-5反射率为零的条件为T）/ = J苏. g jaa.I-s bssue. -u ja.典型的单用减反堰的R Z曲线丫 Y 2,存在个谷底，在此波长处具行 最小反射率。4）朗伯定律计算E=Ic
10、os o/R2 第二部分：光电转换1 基本概念1）光电导效应：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载 流子的变化，导致材料电导率的变化的现象；P732） P型光电导，N型光电导3）本征光电导，杂质光电导；器件及适用范围4）常见光电导材料：a、CdS和CdSe,低成本可见光光电导材料， 光电导增益G=103-104,响应时间较长，工作波段在紫、蓝、绿 短波区。b、PbS,近红外灵敏光电导材料，光谱范围在1-3.4um,2um处最灵敏，响应时间约 200us。c、InSb,近红外灵敏光电导 材料，响应峰波长约5um,热噪声较大。d、硫镉汞（Hg1-xCdxTe）,中红外灵敏光电导，峰值波长1
11、0um左右，通过调节Hg和Cd的相对比例可以改变禁带宽度，从而改变灵敏波长，通常需要制冷,热噪声大。5）光电温度效应：P746）蛇形电极及光电导增益原理:起源于“电荷放大”效应，半导体中的杂质能级（位于禁带中）会捕获少数载流子，如 N型（P型）光电导的 空穴（电子）会被杂质能级捕获，使光电导带正电（负电） ，而吸引 负极（正极）的电子（空穴）进入光电导，在电场作用下漂移到正极（负极），这就相当于增加了电子（空穴）的产生率。（P78）7）光伏效应：当照射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场 将把电子一空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，称为光 生伏特效应。8） PN结：PN结是由一个N型
12、掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所 构成的，其接触界面称为冶金结界面。9）突变PN结：在冶金界面处杂质浓度突变的 P-N结称为突变PN 结。10）缓变PN结：从P区到N区掺杂浓度逐渐改变的PN结称为缓变PN结11）空间电荷区：在PN结中由于自由电子的扩散运动和内建电场的 漂移运动，使PN结的中间部位出现净正、负电荷的区域称为空 间电荷区。12）光电池的结构：是在N硅片上扩散硼形成P层，并用电极引线把 P和N层引出，形成正负电极。为防止表面反射光，提高转换效 率，通常在器件受光面上进行氧化，形成 SIO2保护膜。13）短路电流：当负载电阻为0时，流经负载的电流。14）开路电压：当负载电路开路时，光
13、电池的输出电压。15）填充因子：光电池最大输出功率的值占以 Voc和Isc为边长的矩形面 积的百分比，是输出特性曲线 方形”程度的量度。FF VmPImPVocI sc16）光伏IV曲线p95反向电流17)二次电子发射的定义与过程：具有足够动能的电子轰击某些材料时，表面将发射出新的电子，此现象称为二次电子发射。P135过程:(1) .原初电子射入发射体，在体内发生能量损失，激发产生次级电 子的过程。(2) .激发的次级电子从激发地点向表面运动的过程。(其中包括与“自由”电子，声子，离子等碰撞。)(3) .到达表面的次级电子克服表面势垒逸出的过程。2基本原理1) PN结内建电场的作用？答：P、N
14、区由于浓度差，引起N区电子向P区扩散，同样P区空穴 也向N区扩散，扩散的结果，在交界面两侧留下不能移动的正负离 子，它们之间相互作用，生成一个电场，方向由 N区指向P区，由 于该电场存在于结合的半导体中，所以称为内建电场。具作用是阻碍 电子和空穴继续扩散，载流子在内建电场作用下做漂移运动， 漂移运 动与扩散运动方向相反，最后达到平衡状态。2)光电池的结构、光电转换效率的影响因素？改进方向?答:N型匕负极引线背电极影响因素:V.:硅(Si)基片性质(晶向,p型/门型.电阻率.少子寿命等)，p/n结掺杂浓度, 电池结构形式，并联电阻等；工：硅基片性质(少子寿命等)，表面反射.光陷作用，硅片对比不全
15、吸 收 p/n结对载流子不全收集和收集面枳等：FF:硅(Si)基片性质(电阻率，少子寿命等),电池给构.电极接触，中联电 阻，并联电阻等.改进方向：(1)通过结构改进和创新来提高转换效率：叠层太阳能电池提高转 换效率。(2)开发新材料来提高转换效率：聚合物多层修饰电极型太阳能电 池；纳米晶太阳能电池。(3)采用全新的构思来提高转换效率：改进传统太阳能发电系统来 提高转换效率；采用量子点超晶格型来提高转换效率。3) 2CU硅光二极管与2PU硅光二极管的结构特点，引入环的意义答：P1034)硅光二极管与PIN、APD二极管的比较？答：相同点：工作原理相同，都是基于 pn结工作的不同点：PIN:用于光至电信号转换，通讯中常用，主要的有工作于 850nm波 段和1100nm-1650nm波段的，转化效率一般在0.85A/W左右，信噪比 可以做到很高，这个过程中的噪声
